發(fā)動(dòng)機(jī)ECU?架CAE分析及優(yōu)化

涂??　林??　侯路　羅?

摘要：某輕卡?型在可靠性壞路路?負(fù)荷試驗(yàn)中發(fā)?發(fā)動(dòng)機(jī)ECU?架斷裂問(wèn)題，經(jīng)查為ECU?架未按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)?焊接，導(dǎo)致?階模態(tài)與整?怠速頻率較為接近，?架發(fā)?振動(dòng)疲勞失效。調(diào)件換裝滿?設(shè)計(jì)要求的?架進(jìn)?路試再次發(fā)?振動(dòng)疲勞失效，針對(duì)發(fā)?的?架開裂問(wèn)題進(jìn)?詳細(xì)解析，并通過(guò)仿真分析制定優(yōu)化?案并在臺(tái)架試驗(yàn)上進(jìn)?驗(yàn)證，最終解決?架開裂問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：ECU?架;失效;仿真分析;臺(tái)架驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：U464 收稿?期：2022-01-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.06.004

1 問(wèn)題描述某輕卡?型在耐久路試中出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU?架斷裂現(xiàn)象，故障?程為12 000 km（試驗(yàn)要求達(dá)到25 000 km），查看故障件發(fā)現(xiàn)?架底部安裝板位置焊縫與設(shè)計(jì)狀態(tài)不?致，如圖1所?。

初步判定為供應(yīng)商未按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)要求進(jìn)?焊接，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)ECU?架模態(tài)、強(qiáng)度及剛度性能?幅下降，耐久試驗(yàn)出現(xiàn)斷裂。與供應(yīng)商溝通協(xié)調(diào)后，調(diào)換按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)要求的?架進(jìn)?換裝試驗(yàn)，換裝后試驗(yàn)進(jìn)??8 000 km后，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU?架再次發(fā)?開裂，如圖2所?。

針對(duì)此發(fā)動(dòng)機(jī)ECU?架斷裂問(wèn)題展開詳細(xì)解析。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)ECU?架斷裂解析對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU?架進(jìn)?強(qiáng)度模態(tài)分析。模型建?：有限元模型僅包含發(fā)動(dòng)機(jī)ECU?架、部分?架、ECU。其中ECU?架、?架采?5 mm的殼單元?格，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU使?mass點(diǎn)進(jìn)?配重。?架使?08AL材料，料厚為3.0 mm，?架使?DL510材料，料厚為6.0 mm，螺栓孔均使?RBE2連接。使?整?坐標(biāo)系，按照右?法則，+X指向?尾?向，+Y指向?右側(cè)，+Z指向?上?，如圖3所?。

模態(tài)分析：約束所截取?架邊界123456?由度，提交求解器Optistruct進(jìn)?模態(tài)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果前三階模態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU?架下底板半焊和滿焊的?階模態(tài)如圖4所?。

強(qiáng)度分析：分別計(jì)算制動(dòng)（X-1gZ-1g）、轉(zhuǎn)向（Y0.6gZ-1g）、上跳（Z-3g）?況下?架的應(yīng)?情況。計(jì)算結(jié)果如圖5所?。

分別測(cè)試半焊樣件狀態(tài)和原設(shè)計(jì)?案狀態(tài)搭載在整?狀態(tài)下的實(shí)際模態(tài)。將仿真分析的模態(tài)、強(qiáng)度分析結(jié)果和實(shí)測(cè)模態(tài)匯總?cè)绫?所?。

由表1可看出仿真分析的模態(tài)結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果偏差較?，推斷主要原因?yàn)榉抡娣治鲋形纯紤]ECU與?架間的軟墊，因此連接軟墊剛度在設(shè)計(jì)中未進(jìn)?定義，設(shè)計(jì)部??法給出剛度值，故前期仿真分析校核時(shí)未進(jìn)?建模。此連接軟墊在仿真中使?CBUSH單元進(jìn)?模擬，通過(guò)調(diào)整軟墊剛度對(duì)仿真模型進(jìn)?修正。修正后將模態(tài)、強(qiáng)度結(jié)果匯總?cè)绫?所?。

通過(guò)表1和表2對(duì)?可知，模型修正后仿真和試驗(yàn)的前兩階模態(tài)偏差值較小。強(qiáng)度分析結(jié)果在修正前后差別不?。

解析第?次?架斷裂：在制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、上跳?況下最?應(yīng)?值均遠(yuǎn)小于強(qiáng)度判定標(biāo)準(zhǔn)（ 材料的抗拉強(qiáng)度×0.4=108 MPa）;?階實(shí)測(cè)模態(tài)為26 Hz，與整?怠速頻率存在重疊，推斷失效原因可能為怠速共振失效。

解析第?次?架開裂：在制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、上跳?況下最?應(yīng)?值均遠(yuǎn)小于強(qiáng)度判定標(biāo)準(zhǔn)（ 材料的抗拉強(qiáng)度×0.4=108 MPa）;?階實(shí)測(cè)模態(tài)為40 Hz，與整?怠速頻率相距較遠(yuǎn)，排除了怠速共振失效的可能。推測(cè)失效原因可能是ECU?架位于發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置安裝點(diǎn)附近，發(fā)動(dòng)機(jī)某常?轉(zhuǎn)速下與ECU?架形式共振。

3 優(yōu)化對(duì)策在修正模型的基礎(chǔ)進(jìn)??案優(yōu)化，制定優(yōu)化對(duì)策：優(yōu)化?案1為肋板延??底板邊緣，且底板增加2 mm墊板，如圖6所?。優(yōu)化?案2為板延??底板邊緣，且底板增加2 mm墊板，同時(shí)材料變更為DL510。

優(yōu)化?案1、優(yōu)化?案2的?階模態(tài)由40.4 Hz提升?46.3 Hz。匯總模態(tài)和強(qiáng)度分析結(jié)果如表3所?。

疲勞仿真分析：建?頻響分析模型，在截取?架邊界位置分別加載1g的X、Y、Z三?向的加速度激勵(lì)，掃頻范圍為1～200 Hz。同時(shí)以實(shí)?采集的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU?架安裝位置處?架的加速度激勵(lì)為輸?建?疲勞仿真模型。各?案疲勞壽命分析結(jié)果如圖7所?。

4 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)?況的制定：使?上?所搭建的疲勞仿真分析模型，分別以XYZ向激勵(lì)、單獨(dú)X向激勵(lì)、單獨(dú)Y向激勵(lì)、單獨(dú)Z向激勵(lì)作為輸?計(jì)算損傷占?，計(jì)算結(jié)果如圖8所?。由分析結(jié)果可知，Y向激勵(lì)損傷占絕對(duì)主導(dǎo)，故臺(tái)架試驗(yàn)僅進(jìn)?Y向加載。

將原設(shè)計(jì)?案、優(yōu)化?案1、優(yōu)化?案2分別按照制定的?況進(jìn)?臺(tái)架試驗(yàn)。

ECU?架總成和ECU軟墊連接固定，并通過(guò)?裝固定在電磁振動(dòng)臺(tái)上，ECU?架總成底板與?裝接觸寬度保持與實(shí)際裝配寬度?致，樣件試驗(yàn)采?Y向隨機(jī)振動(dòng)。振動(dòng)信號(hào)使?實(shí)?采集的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU?架安裝位置處?架的加速度激勵(lì)，觀察振動(dòng)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)ECU?架總成是否出現(xiàn)斷裂。樣件固定及加載?式如圖9所?。

分別完成原設(shè)計(jì)?案樣件、優(yōu)化?案1樣件、優(yōu)化?案2樣件試驗(yàn)后將試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?所?。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，原設(shè)計(jì)?案樣件斷裂位置和失效?式與整?耐久試驗(yàn)完全?致，故可根據(jù)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)?和整?耐久試驗(yàn)?程建?量化關(guān)系，即臺(tái)架試驗(yàn)8 h等效于整?耐久試驗(yàn)8 000 km。通過(guò)等效換算，優(yōu)化?案1 可滿?整?耐久?程23 333 km。臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)中?架失效位置為?板位置，且靠近肋板上沿位置。失效位置與整?耐久試驗(yàn)不?致，分析原因?yàn)橄虏康装寮訌?qiáng)后，ECU?架的薄弱點(diǎn)發(fā)?轉(zhuǎn)移。優(yōu)化?案2因?裝夾具損壞，試驗(yàn)未達(dá)到破壞，但可確定優(yōu)化?案2可滿?整?耐久?程45 750 km以上。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證可知，優(yōu)化?案1等效整?耐久?程23 333 km，不滿?25 000 km的耐久?程要求。若采??案1需將肋板上延，并重新制作樣件驗(yàn)證。優(yōu)化?案2可滿?整?25 000 km的耐久?程要求。綜合考慮各??因素，最終選擇優(yōu)化?案2為最終對(duì)策?案。

此類?架的模態(tài)和強(qiáng)度的仿真分析判定標(biāo)準(zhǔn)為：?階模態(tài)≥30 Hz;制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、上跳各?況的最?應(yīng)?<0.4×材料的抗拉強(qiáng)度。但在本案例中，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU?架的原設(shè)計(jì)?案狀態(tài)滿?此判定基準(zhǔn)。實(shí)際裝?進(jìn)?整?耐久性試驗(yàn)時(shí)仍發(fā)??架開裂問(wèn)題（第?次換裝原設(shè)計(jì)?案狀態(tài)樣件進(jìn)?驗(yàn)證）。對(duì)于第?次整?耐久試驗(yàn)?架開裂，?前推測(cè)為?架安裝位置（如動(dòng)?總成）存在30 Hz以上的振動(dòng)激勵(lì)，導(dǎo)致此?架發(fā)?共振，并發(fā)?振動(dòng)疲勞失效。而在數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段要避免此類問(wèn)題的發(fā)?，除了要滿?基本的模態(tài)強(qiáng)度要求外還需對(duì)整?各系統(tǒng)的模態(tài)分布進(jìn)?規(guī)劃，通過(guò)搭建整?NVH模型并進(jìn)?仿真分析，避免相鄰系統(tǒng)零部件產(chǎn)?共振。

作者簡(jiǎn)介：涂??，男 ，1988年?，?程師，研究?向?yàn)?輛被動(dòng)安全。1BC97061-43C9-4F96-AE78-52F8B3DA5AE7